汽車車身的防腐

????? 摘要：汽車的腐蝕損壞是汽車最為普遍，也是最大的敵人。汽車腐蝕給社會帶來極大危害，不僅造成巨大的經濟損失和社會資源的巨大浪費，還造成嚴重的環境污染，更可能帶來嚴重的交通事故。隨著我國汽車的保有量和產銷量的飛速增長，汽車的腐蝕控制已經成為我國國民經濟活動中不可缺少的重要組成部分，它將產生巨大的經濟效益和社會效益。
???? 本文基于金屬材料的腐蝕機理，對導致汽車腐蝕的環境因素和轎車車身常見的腐蝕類型進行了較為詳細的分析。通過對轎車車身腐蝕情況的調查，找出了車身腐蝕頻繁發生的部位，并對腐蝕發生的原因進行了分析。在此基礎上，跟蹤國外的先進防腐蝕技術的發展，較為全面地論述了現代轎車車身防腐蝕設計的幾個主要方面，以及一般的設計方法和原則。最后，結合國內某雙門兩廂微型轎車的實例，從結構、材料和表面防護幾個方面，具體論述了防腐蝕設計在轎車車身上的綜合應用，以及對防腐蝕設計的可行性和實際效果的評估。?
????? 關鍵詞：汽車，腐蝕防護，車身結構，材料，應用
????? 前言：汽車整車綜合防腐蝕性能包含車身和裝配的各部件耐腐蝕性能，本文重點就汽車車身的耐腐蝕問題進行分析。汽車車身耐腐蝕保護的主要工藝手段是涂裝，涂裝的主要功能是耐腐蝕與外觀裝飾。以前國內汽車產品都是國外公司設計完成，國內主要是制造和逐步國產化，由于國際產品開發公司已經有足夠的經驗，在產品設計中已經考慮工藝性與耐腐蝕性，并早已形成有各自的企業標準。隨著國內自主開發汽車的推進，到未來10年內，自主開發的汽車將逐步占主導，國產汽車的生產量將逐步達到50％，對自主研究開發的車身防腐蝕研究必須系統研究逐步跟上國際步伐。車身耐腐蝕是一項復雜的多學科配合，而要達到相應的品質要求，關鍵在于產品設計時的材料選擇和同步工藝分析，制作時用合理工藝進行保證。一般來說轎車車身的涂層質量標準要比商用車(載重汽車)車身的高，同時轎車又分低、中、高級多種檔次：低檔的經濟型轎車車身涂裝的要求、涂層質量標準與高級商用車差不多；而高級豪華的轎車車身是頂級產品，其涂層的外觀裝飾性、耐候性、耐蝕性等性能需達到非常耐久、藝術性很強的頂級水平，必須采用精工細作的涂裝工藝和高檔優質的涂裝材料來實現。

1.車身材料性能分析及選材

???? 現代汽車車身除滿足強度和使用壽命的要求外，還應滿足性能、外觀、安全、價格、環保、節能等方面的需要。在上世紀八十年代，轎車的整車質量中，鋼鐵占80％，鋁占3％，樹脂為4％。自1978年世界爆發石油危機以來，作為輕量化材料的高強度鋼板、表面處理鋼板逐年上升，有色金屬材料總體有所增加，其中，鋁的增加明顯；非金屬材料也逐步增長，近年來開發的高性能工程塑料、復合材料，不僅替代了普通塑料，而且品種繁多，在汽車上的應用范圍廣泛。
?????? 汽車車身鋁合金化對減輕車身質量具有重要的意義，也是近幾年來國內外研究的一個熱點，其中6000系A1一Mg-Si—Cu基合金車身板受到了關注美國Alcoa鋁業公司開發的6013合金具有很優異的焊接性能、成形性能及耐腐蝕性能。在A1一Mg—Si—Cu鋁合金中添加微量Sr，可以對合金進行變質，有助于合金性能的改善。從腐蝕的角度研究Sr在A1一Mg—Si-Cu鋁合金的作用具有重要的意義，目前國內外尚未見有關報道。? 鋁合金選做為汽車車身 與汽車鋼板相比，鋁合金具有密度小（2.7g/cm3）、比強度高、耐銹蝕、熱穩定性好、易成形、可回收再生等優點，技術成熟。德國大眾公司的新型奧迪A2型轎車，由于采用了全鋁車身骨架和外板結構，使其總質量減少了135kg，比傳統鋼材料車身減輕了43％，使平均油耗降至每百公里3升的水平。全新奧迪A8通過使用性能更好的大型鋁鑄件和液壓成型部件，車身零件數量從50個減至29個，車身框架完全閉合。這種結構不僅使車身的扭轉剛度提高了60%，還比同類車型的鋼制車身車重減少50%。由于所有的鋁合金都可以回收再生利用，深受環保人士的歡迎。? 根據車身結構設計的需要，采用激光束壓合成型工藝，將不同厚度的鋁板或者用鋁板與鋼板復合成型，再在表面涂覆防腐蝕材料使其結構輕量化且具有良好的耐腐蝕性。?

2.汽車的腐蝕環境淺談

????? 我們知道，單一的金屬材料是不會發生腐蝕的。腐蝕的發生，必須通過金屬材料和電解質溶液的相互作用。也即腐蝕的發生，是和金屬材料所處的腐蝕環境密不可分的。因此，研究車身的腐蝕就必須研究與其相關的環境因素。就轎車的使用環境來說，大氣腐蝕是金屬腐蝕的重要方面，金屬在各類大氣環境中的腐蝕程度大不一樣，這主要取決于氣象參數和大氣污染情況。在同一地區，針對大氣中與金屬腐蝕有關的有害雜質組分的不同，可分為農村大氣、海洋大氣、城郊大氣和工業大氣。
2．1相對濕度的影響
???? 潮濕的大氣容易引起結露現象，濕度越大，結露越容易。結露的金屬表面形成一薄水膜，水膜存在時間越長，腐蝕越厲害。結露的情況受到毛細管的影響，如腐蝕產物中孔隙、金屬表面沉積的泥沙以及結構縫隙大小，越小越易發生水汽凝聚。結露也受大氣存在的鹽類的影響，金屬表面有鹽存在，空氣中水分優先在鹽結晶處凝聚。各種金屬都有一個腐蝕速度急劇增加的濕度范圍。腐蝕速度劇增時的大氣相對濕度值稱為臨界濕度。鋼鐵、銅、鎳、鋅等金屬腐蝕劇增的臨界相對濕度大約在50％'---'70％之間。
2．2溫度的影響
???? 結露與溫度有關，在臨界濕度附近能否結露，要取決于氣溫變化。大量統計表明，如若其它條件相同，平均氣溫高的地區，大氣腐蝕速度較大。晝夜氣溫變化對腐蝕也有影響，在夜間溫度下降，金屬表面溫度低于周圍大氣溫度，大氣中水汽在金屬表面凝結，使腐蝕加速。另一方面，濕度也會隨著溫度升高而減小，因而減緩腐蝕，所以在某一特定地方腐蝕率在某一溫度達到最大值，在冰點以下腐蝕率一般可忽略不計。
2．3降雨的影響
????? 雨水沾濕金屬表面、沖刷破壞腐蝕產物保護層，促進腐蝕。另一方面，雨水又能沖洗掉金屬表面的灰塵、鹽粒等，這又減緩了腐蝕。由于金屬在自然環境的腐蝕需要電解質的支持，而存在降雨時，雨水不僅為金屬的腐蝕提供了所需的電解質，而且雨水的沉降過程還存在對金屬的沖刷作用。這種雨水對金屬的電化學溶解和沖刷的交互作用的腐蝕機制，尤其在環境污染條件下對金屬的加速腐蝕機制已引起愈來愈多人的關注。
2．4酸雨的影響
????? 酸雨的pH均值為4．5，最低的pH值為3．28。因而，公交和電車公司的車輛在較惡劣的環境中運行，車輛的腐蝕情況十分嚴重．日益嚴重的酸雨對生態的影響和造成的巨大經濟損失，已成為制約我國社會經濟發展的重要因素之一。

3.車身腐蝕機理分析

???? 由于汽車所處環境、氣候、溫度、濕度等情況不盡相同，所以腐蝕形式多種多樣。但汽車腐蝕多數屬于電化學腐蝕，電化學腐蝕是指金屬表面與離子導電的介質因發生電化學作用而產生的破壞。客車所用結構材料多為碳鋼，碳鋼在一定介質如酸雨、雨水中，鐵被氧化為Fe2+離子，成為陽極，所放出的電子自陽極(Fe)流至鋼中的陰極(Ve3C)上被H+離子吸收還原
成氫氣，具體反應式為 陽極反應：FpFe2++2e；陰極反應：2H++2PHz；總反應：Fe+2H+一Fe2++H2
???? 另外，由于酸雨的增加和在客車制造過程中及運行中使用自來水，而自來水中含有Cl一離子，含氯離子的介質中有溶解氧或陽離子氧化劑(如FeCl3)時，能促使成為孔蝕。孔蝕時，孔內主要發生陽極溶解：Fe—Fez++2e；孔外主要發生反應：1／202+H20+2e-一20H一，由于孔內金屬陽離子濃度的增加，氯離子遷入以維持電中性。這樣就使孔內形成金屬氯化物(如FeCls)的濃溶液。這種濃溶液可使孔內金屬表面繼續維持活態。又由于氯化物水解的結果，孔內介質酸度增加。酸度的增加使陽極溶解速度增加，加上受介質的影響，蝕孔便進一步向深處發展。?

4.汽車腐蝕常見類型

???? 由于轎車車身主要由金屬材料構成，這些金屬材料常見的腐蝕形態也常出現在汽車車身上。不過，當發生在汽車車身上時，由于發生的部位、所處環境和接觸材料的不同，這些腐蝕形態也有著自己特殊的表現形式。常見的腐蝕形態主要有斑狀腐蝕、縫隙腐蝕、局部腐蝕和受載下的腐 蝕等四種。
4．1.1斑狀腐蝕
???? 斑狀腐蝕(Cosmetic Corrosion)是汽車車身最常發生的一種腐蝕。斑狀腐蝕頻發在車身的前面板、汽車裙帶等部位。這些區域受到砂石飛濺撞擊最為嚴重，面板漆層易遭劃傷和脫落，這無疑加重了腐蝕的發生。腐蝕的初始階段可以看到汽車面板涂層鼓泡脫落，隨后破裂、生銹，再后來面板銹蝕開始擴展并連成一片，向深處發展，露出基體金屬，出現均勻腐蝕或坑蝕。造成汽車車身斑狀腐蝕的原因是多方面的，有的是因為基體金屬陰極反應氣體鼓泡剝離，有的是因為基體金屬的陽極溶解涂層脫落，有的是因為砂石飛濺機械刺傷使漆層分離，有時候是因為多種原因同時存在造成腐蝕。斑狀腐蝕發生的影響因素很多，例如涂層系統耐候性的優劣、金屬基體鍍層耐蝕性的優劣、預處理膜的質量好壞以及汽車行駛環境的腐蝕強弱等，都將影響斑狀腐蝕發生的時間、部位及其發生的程度。
4．1.2縫隙腐蝕
????? 縫隙腐蝕是汽車腐蝕中最嚴重、最常見的腐蝕形態，也是汽車腐蝕損壞的最重要原因。縫隙腐蝕主要有穿透腐蝕、絲狀腐蝕、沉積腐蝕3種常見的特殊形態。縫隙腐蝕發生在汽車各種形式的連接部位，例如一輛轎車就有近3 000"---4 000個點焊點，還有許許多多鉚釘連接，螺栓螺釘連接，橡膠條、裝飾條的粘接等，在這些連接部位存在大量縫隙。
4．1.3點腐蝕
????? 點腐蝕又稱為孔腐蝕，是一種腐蝕集中于金屬表面的很小范圍內并深入金屬內部的 蝕孔狀腐蝕形態，其特征是腐蝕孔直徑小且深，其形態因材料與腐蝕介質不同而異，有半 球形、平壁形、不定形、開口形和閉口形。點腐蝕是一種更為危險的腐 蝕，因為它能在較短時間導致穿孔。汽車點腐蝕多發生在一些表面產生鈍化膜的不銹鋼、鋁及鋁合金、鋅合金等構件及陰極性鍍層，如鍍錫、鍍銅、鍍鉻、鉻鎳金屬零件表面。這些通常與非金屬夾雜、組織與成分的不均勻性有關，尤以硫化物最為敏感。也可能由金屬表面微小灰塵粒子引起氧的濃度差而導致點腐蝕發生。在冬季撤防凍鹽、防塵鹽的道路環境，以及在海洋大氣環境中，汽車發生點腐蝕尤為嚴重，因為在這些環境存在大量鹵素元素離子(如C1一)，它們能破壞金屬表面保護性氧化膜。排氣系統是汽車發生點腐蝕較為嚴重的部件之一。
????? 排氣消聲系統溫度較高，但各區段有所差別。該系統除了受路面砂石、鹽水飛濺撞擊之外，溫度也將使該系統腐蝕更趨嚴重，即使在干燥環境也會發生高溫氧化腐蝕，顯然這種腐蝕相對于潮濕環境的電化學腐蝕而言，不顯得那么重要。排氣系統內側排出的廢氣是具有很強腐蝕性的混合物，在排氣系統尾部低溫段出現的冷凝水中包含有Cl一、S02-4．C02‘3、NH+4等離子以及有機酸，pH值約8"--9，這就造成了系統內側嚴重的腐蝕條件。隨著汽車行駛速度的提高，排氣溫度上升，Cl一和S024等離子還將濃縮，這使排氣系統腐蝕更加嚴重。采用碳鋼制作的排氣系統，往往經歷兩個冬季就發生穿孔。
4．2受載下的腐蝕
4．2.1應力腐蝕破裂
????? 應力腐蝕破裂是材料在張應力和特定介質共同作用下發生的低應力脆性斷裂，這種破裂通常發生在特定金屬與介質的組合，如汽車用不銹鋼和路面防凍鹽的C1一環境就是發生應力腐蝕開裂的一種典型組合。應力腐蝕破裂的發生還存在一個臨界張應力，當構件所受張力超過此臨界值時，才會發生應力腐蝕破裂。
4．2.2腐蝕疲勞
????? 金屬處在腐蝕環境中受到交變應力作用時會發生腐蝕疲勞。腐蝕疲勞與應力腐蝕破裂不同，它不需要特定的材料和腐蝕介質的組合。腐蝕疲勞也不存在通常空氣中疲勞的疲勞極限值。腐蝕疲勞破壞載荷遠遠低于材料的屈服強度，幾乎在極低的交變應力下也會發生。金屬材料的腐蝕疲勞壽命主要取決于載荷、交變頻率、載荷的大小以及介質的腐蝕性。腐蝕疲勞裂紋通常是穿晶的，呈直線，寬而不分枝，并以若干裂紋群體出現，斷口是脆斷型，如圖4—8所示。汽車腐蝕疲勞主要發生在承受動載的車底下的彈簧、發動機蓋固定件、制動管等。?

5.防護措施

????? 涂鍍層鋼板是汽車車身有效的防護材料，轎車選用的幾種涂層鋼板介紹如下。
1、熱浸鍍鋼板
???? (1)熱鍍鋅鋼板。鋼板表面鍍鋅層一方面可以阻隔腐蝕環境直接接觸，另一方面鍍鋅層在腐蝕介質中形成一層致密的、附著性很強的腐蝕產物，如氧化鋅、氫氧化鋅、二氯化鋅、碳酸鋅等。這樣的腐蝕產物對其周圍腐蝕介質又起到屏蔽作用，從而阻止了腐蝕的進一步發展，此外，鋅的電極電位較鐵負，屬于陽極性鍍層，它具有犧牲陽極的保護作用，這都是鍍鋅鋼板耐蝕性優良的原因。
????? (2)熱鍍鋅合金化鋼板。熱鍍鋅鋼板經合金化退化處理，獲得Zn．Fe合金鍍層鋼板，其表面是一層較厚的、很致密的、不溶解于水的非活性氧化膜。
2、電鍍鋼板
???? (1)電鍍鋅。電鍍鋅鋼板耐蝕原理和熱鍍鋅鋼板相似，與熱鍍鋅鍍層相比較，電鍍鋅鍍層更為均勻、平整，但其焊接性、加工型性、涂料耐蝕性遜于熱鍍鋅鋼板。
????? (2)電鍍鋅一鎳合金。鋅．鎳合金鍍層鋼板的最突出優點是耐蝕性較純鋅鍍層大為提高，當鎳含量小于10％時，比同厚度純鋅層耐蝕性高出3～5倍，鎳含量為10％'--"16％(最佳13％)時。對道路防凍鹽的腐蝕具有特優的耐蝕性能，其防穿透腐蝕能力比純鋅鍍層高6""10倍。鋅．鎳合金鍍層的高耐蝕性緣于其電極電位與鐵的電位差縮小，腐蝕速度減緩，同時鋅．鎳合金為單一穩定的丫．相容易鈍化，耐蝕性好。除了高耐蝕性外，鋅。鎳合金鍍層還具有較佳的焊接性和上漆性能。
???? (3)電鍍鋅．鐵合金。含鐵量在7％～25％范圍的鋅一鐵鍍層具有最佳的耐蝕性，同時亦具備優良的加工性、涂裝性、可焊性等，在汽車上實際應用中常與鋅．鎳合金鍍層搭配，以鋅鎳合金鍍層打底，表層鍍上鋅．鐵合金屬，以進一步改善涂漆性能。

6.結語

???? 考慮車身耐腐蝕問題。涂裝設備也非常關鍵，讓內腔和夾縫能有效涂裝是考慮的重點，近十多年來，涂裝工藝及設備的進步主要體現在環保型涂裝材料的應用，減少廢水、廢渣的排放，降低成本，優化汽車生產過程等幾個方面。由于涂裝材料的進步，車身層體系的設計也有了革命性的進展，幾種典型的新涂裝體系及新技術已經或即將用于工業生產。
????? 運輸機方面，國內目前車身涂裝線前處理和電泳采用的典型運輸機有推桿懸鏈(出入槽角度25度)、擺桿鏈(出入槽角度45度)和程控葫蘆，也有汽車公司成功使用普通推桿懸鏈實現45度角入槽減少設備長度，盡可能多排出空氣。它們各有優缺點，共同的缺點是都不能解決車身內部諸多空腔結構體內的有效排氣問題，尤其是車頂蓋內的氣袋問題。這些部位不能得到磷化和電泳處理。新型的多功能穿梭機(Vario-Shuttle)和滾浸運輸機(RoDip)i晰，實現360度翻轉，不僅解決了這些問題，而且繼承了前述的運輸機的所有優點。多功能穿梭機還具備在一條生產線上實現多品種不同工藝的功能，完全符合自動化柔性涂裝生產的要求。這兩種運輸機在國內新建車身涂裝線上已經開始應用
???? 前景展望：隨著機器人技術的進步，車身自動涂裝機逐漸被多自由度的噴涂機器人取代，噴涂和密封大量采用機器人自動操作，比涂裝機更適應柔性化生產。機械化傳動鏈條普遍采用非金屬材料，大幅度降低傳動噪音。機器人的技術己成熟。產業化加快。使成本下降，機器人更加靈活，噴涂時杯頭能夠始終保持與車體表面同一距離以及垂直狀態。更加節約涂料。使用單位對機器人的了解與掌握逐步跟上使用更加有信心，國內使用量增加以后，備件易保障。機器人的大量應用顯著提高了汽車車身的涂裝膜厚度的均勻性，保證車身的耐腐蝕性能。